Vyplňte formulár nižšie a my vám pošleme e-mailom verziu PDF „Vylepšenia novej technológie na premenu oxidu uhličitého na kvapalné palivo“
Oxid uhličitý (CO2) je produktom spaľovania fosílnych palív a najbežnejšieho skleníkového plynu, ktorý možno udržateľným spôsobom premeniť späť na užitočné palivá. Jedným zo sľubných spôsobov, ako premeniť emisie CO2 na surovinu paliva, je proces nazývaný elektrochemická redukcia. Aby bol však proces komerčne životaschopný, musí sa zlepšiť, aby sa vybrali alebo vyrobili žiadanejšie produkty bohaté na uhlík. Teraz, ako sa uvádza v časopise Nature Energy, Národné laboratórium Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) vyvinulo novú metódu na zlepšenie povrchu medeného katalyzátora použitého na pomocnú reakciu, čím sa zvýšila selektivita procesu.
„Aj keď vieme, že meď je najlepším katalyzátorom pre túto reakciu, neposkytuje vysokú selektivitu pre požadovaný produkt,“ povedal Alexis, vedúci vedec na oddelení chemických vied v Berkeley Lab a profesor chemického inžinierstva na univerzite. z Kalifornie, Berkeley. Spell povedal. "Náš tím zistil, že môžete použiť miestne prostredie katalyzátora na rôzne triky na zabezpečenie tohto druhu selektivity."
V predchádzajúcich štúdiách výskumníci vytvorili presné podmienky na poskytnutie najlepšieho elektrického a chemického prostredia na vytváranie produktov bohatých na uhlík s komerčnou hodnotou. Tieto podmienky sú však v rozpore s podmienkami, ktoré sa prirodzene vyskytujú v typických palivových článkoch s použitím vodivých materiálov na vodnej báze.
Aby sa určil dizajn, ktorý možno použiť vo vodnom prostredí palivových článkov, v rámci projektu Centra energetických inovácií Ministerstva energetiky Liquid Sunshine Alliance, Bell a jeho tím použili tenkú vrstvu ionoméru, ktorá umožňuje určité nabitie molekuly (ióny), ktorými prechádzajú. Vylúčte ostatné ióny. Vďaka svojim vysoko selektívnym chemickým vlastnostiam sú obzvlášť vhodné na to, aby mali silný vplyv na mikroprostredie.
Chanyeon Kim, postdoktorandský výskumník v skupine Bell a prvý autor článku, navrhol pokryť povrch medených katalyzátorov dvoma bežnými ionomérmi, Nafion a Sustainion. Tím predpokladal, že by to malo zmeniť prostredie v blízkosti katalyzátora - vrátane pH a množstva vody a oxidu uhličitého - nejakým spôsobom nasmerovať reakciu na produkciu produktov bohatých na uhlík, ktoré možno ľahko premeniť na užitočné chemikálie. Produkty a kvapalné palivá.
Výskumníci naniesli tenkú vrstvu každého ionoméru a dvojitú vrstvu dvoch ionomérov na medený film podporovaný polymérnym materiálom, aby vytvorili film, ktorý mohli vložiť blízko jedného konca ručne tvarovaného elektrochemického článku. Pri vstrekovaní oxidu uhličitého do batérie a privedení napätia merali celkový prúd pretekajúci batériou. Potom merali plyn a kvapalinu zhromaždenú v susednom zásobníku počas reakcie. Pre dvojvrstvový prípad zistili, že produkty bohaté na uhlík predstavovali 80 % energie spotrebovanej reakciou – viac ako 60 % v nepotiahnutom prípade.
„Tento sendvičový náter poskytuje to najlepšie z oboch svetov: vysokú selektivitu produktu a vysokú aktivitu,“ povedal Bell. Dvojvrstvový povrch nie je vhodný len pre produkty bohaté na uhlík, ale zároveň vytvára silný prúd, čo naznačuje zvýšenie aktivity.
Vedci dospeli k záveru, že zlepšená odozva bola výsledkom vysokej koncentrácie CO2 nahromadenej v povlaku priamo na povrchu medi. Okrem toho negatívne nabité molekuly, ktoré sa hromadia v oblasti medzi dvoma ionomérmi, budú produkovať nižšiu lokálnu kyslosť. Táto kombinácia kompenzuje koncentračné kompromisy, ktoré sa zvyčajne vyskytujú v neprítomnosti ionomérnych filmov.
Aby sa ďalej zlepšila účinnosť reakcie, výskumníci sa obrátili na predtým overenú technológiu, ktorá nevyžaduje ionomérny film ako ďalšiu metódu na zvýšenie CO2 a pH: pulzné napätie. Aplikovaním pulzného napätia na dvojvrstvový ionomérny povlak dosiahli výskumníci 250% nárast produktov bohatých na uhlík v porovnaní s nepotiahnutou meďou a statickým napätím.
Hoci niektorí výskumníci zameriavajú svoju prácu na vývoj nových katalyzátorov, objav katalyzátora neberie do úvahy prevádzkové podmienky. Kontrola prostredia na povrchu katalyzátora je nová a odlišná metóda.
„Neprišli sme s úplne novým katalyzátorom, ale využili sme naše chápanie reakčnej kinetiky a využili sme tieto znalosti na to, aby nás viedli pri premýšľaní o tom, ako zmeniť prostredie miesta katalyzátora,“ povedal Adam Weber, starší inžinier. Vedci v oblasti energetických technológií v Berkeley Laboratories a spoluautor článkov.
Ďalším krokom je rozšírenie výroby poťahovaných katalyzátorov. Predbežné experimenty tímu Berkeley Lab zahŕňali malé ploché modelové systémy, ktoré boli oveľa jednoduchšie ako veľkoplošné porézne štruktúry potrebné pre komerčné aplikácie. „Naniesť náter na rovný povrch nie je ťažké. Ale komerčné metódy môžu zahŕňať poťahovanie malých medených guľôčok, "povedal Bell. Pridanie druhej vrstvy náteru je náročné. Jednou z možností je zmiešať a uložiť dva povlaky dohromady v rozpúšťadle a dúfať, že sa oddelia, keď sa rozpúšťadlo odparí. Čo ak nie? Bell uzavrel: "Musíme byť len múdrejší." Pozri Kim C, Bui JC, Luo X a ďalšie. Prispôsobené mikroprostredie katalyzátora na elektroredukciu CO2 na viacuhlíkové produkty pomocou dvojvrstvového ionomérneho povlaku na medi. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Tento článok je reprodukovaný z nasledujúceho materiálu. Poznámka: Materiál mohol byť upravený z hľadiska dĺžky a obsahu. Pre viac informácií kontaktujte prosím citovaný zdroj.
Čas odoslania: 22. novembra 2021
